Полупроводниковые терморезисторы на основе монокристаллов алмаза

Процессор и ..

Охлаждение ПК

Статьи

Полезные советы

Ссылки

Электроника

Linux

Список литературы

Проекты, идеи

Первые публикации о полупроводниковых терморезисторах с отрицательным температурным коэффициентом на основе монокристаллов алмаза появились в 1998 году. Терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом в литературе встречаются как термистор или NTC (Negative Temperature Coefficient) термистор.
Сейчас российским предприятием ООО «Диамант» из г. Александрова, серийно выпускаются термисторы ТРА-1, ТРА-2 на основе монокристаллов полупроводникового алмаза (Рис.1). Производителем они позиционируются как «Терморезисторы изолированные, герметизированные, с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления предназначены для работы в электрических цепях постоянного и переменного тока для измерения температуры, скорости потока жидкости или газа, разрежения и температурной компенсации элементов электрических цепей и т.д.» и выпускаются по техническим условиям ДИЛС 434121.001ТУ. 

 

 

Эксплуатационные возможности термисторов, во многом определяются свойствами материала, из которого изготавливаются их чувствительные элементы (ЧЭ). Основная часть термисторов, выпускаемых промышленностью, изготовлена из поликристаллических оксидных полупроводников – из окислов металлов переходной группы таблицы Менделеева (от титана до цинка). Термисторы в форме стержней, трубок, дисков или пластинок получают методами керамической технологии, то есть путем обжига заготовок при высокой температуре. Главным их недостатком является то, что работая при максимальных температурах они подвержены деградации, старению. Это сокращает срок их службы при использовании при высоких температурах. Термисторы на известных монокристаллических полупроводниковых материалах также имеют существенные ограничения рабочих температур (250…300°С) и требуют защиты поверхности от многих воздействий внешней среды, что связано, как правило, с потерей термочувствительности и увеличением тепловой инерционности.

К достоинствам рассматриваемых термисторов на основе монокристаллов алмаза можно отнести их стабильные характеристики, даже при длительном воздействии предельных температур, большой рассеиваемой мощностью, широким диапазоном рабочих температур, высоким быстродействием и устойчивостью к внешним воздействиям.

 

Чем определяются эти особенности?

Они определяются в первую очередь свойствами самого монокристалла искусственного алмаза.

Это, в первую очередь, высокая рабочая температура ЧЭ, которая определяется для бескорпусного исполнения величиной порядка 1000°С, при отсутствии эффектов старения (деградации полупроводника). А для термистора помещенного в защитную оболочку, ее теплостойкостью. Для стеклянных корпусов это температура порядка 300°С, керамических 600°С и даже 1000°С.

Во-вторых, это стойкость к агрессивным средам.

В-третьих, в специальных применениях, стойкость к радиации.

Самое главное, данные термисторы работают при тепловыделении на них (при прохождении тока), до 0,5 Вт, при керамических корпусах эта мощность может быть в несколько раз выше. В общем случае, предельная мощность тепловыделения определяется только температурой корпуса и способностью среды отводить тепло.

При этом все электрические характеристики не хуже обычных термисторов.

 

Рисунок 1.

 

В таблице 1, где приведены характеристики термисторов типа ТРА-1 и ТРА-2 и для сравнения приведены характеристики термисторов КМТ-14 и опытных образцов термисторов на основе монокристалла кубического нитрида бора (cBN) [Л.3].

 

Таблица 1.

 

Термисторы на основе монокристалла кубического нитрида бора (cBN) в сравнении с термисторами на основе монокристаллов алмаза проигрывают, как показано в [Л.3], имеют большую величину рабочего сопротивления, меньшую рассеиваемую мощность (2 мВт), меньшую максимальную рабочую температуру, большую постоянную времени. Авторы отмечает, что при температурах выше 650°С, характеристика чувствительного элемента не стабильна, и при больших температурах имеет место не вполне ясная нелинейность.

Термисторы КМТ-14 показаны для сравнения. Они имеют характеристики хуже чем термисторы на основе монокристалла кубического нитрида бора (cBN), которые, как показано выше, уступают термисторам на основе монокристаллов синтетического алмаза.

 

Отличия термисторов типа ТРА-1 и ТРА-2

 

Таблица 2.

Величина номинального сопротивления при 25оС, Ом	Допустимое отклонение от номинального сопротивления %	Коэффициент температурной чувствительности (постоянная В)оК	Температурный коэффициент сопротивления (α),%/К
ТРА-1
50…100	±5, ±10, ±20	300…1000	-0,2…-1,0
100…1000		300…1500	-0,2…-1,4
1000…10000		300…2000	-0,2…-1,8
10000…100000		400…2500	-0,35…-2,3
ТРА-2
1000…10000	±5, ±10, ±20	600…3000	-0,55…-2,7
10000…100000		2000…4000	-1,8…-3,7
106…108		2000…6000	-1,8…-6,0

 

Термисторы типа ТРА-1 и ТРА-2 отличаются (см. таблицу2) величиной температурного коэффициента сопротивления (α),%/К, кроме того они различаются типом проводимости рабочего тела,

Следует отметить, что в безкорпусном исполнении термисторы, имеют размер кристалла порядка 0,5…0,6 мм, а диаметр серебряных выводов 0,05 - 0,1 мм, максимальная рабочая температура при этом повышается до +600°С и тепловая инерционность уменьшается больше чем на порядок. Однако, надо заметить, что в безкорпусном варианте существуют только экспериментальные образцы, серийного производства их нет.

 

Температурная зависимость сопротивления термисторов ТРА-1, ТРА-2

Температурная зависимость сопротивления термисторов вблизи рабочей точки описывается выражением:

 

  Ф.1

где:

R_Т0 - сопротивление терморезисторов при температуре 25°С, Ом

В — коэффициент температурной чувствительности, К

Т_о - температура 298 К

Т - температура в К, при которой определяют R_T.

В формуле нужно только заменить β на В, ибо коэффициент температурной чувствительности у нас принято обозначать буквой В.

 

В паспортах на полупроводниковый терморезистор может приводиться значение α (ТКС), который связан с коэффициентом температурной чувствительности B следующей зависимостью:

В = - α T^{2   Ф.2}

 

Если α дано в 1/К, а если α дано в %/К полученный результат умножить на 10².

 

Ниже приведен график зависимости сопротивления от температуры рассчитанный используя формулы 1 и 2.

 

Рисунок 2.

 

Типовые зависимости сопротивления терморезистора ТРА-1 и ТРА-2.

На рис . 3 — 6 для ТРА-1 и на рис. 7 для ТРА-2

 

Применение термисторов ТРА-1 и ТРА-2

Термисторы ТРА могут применяться как и все обычные термисторы. Это измерение температуры, коррекция режимов работы электронных устройств в условиях изменяющейся температуры (температурная компенсация).

 

Некоторые примеры обычного применения термисторов

1. Бытовая электроника: холодильники и морозильники, посудомоечные машины, фены и т.д.,
2. Автомобильная электроника: для измерения температуры охлаждающей жидкости и масла; для слежения за температурой выхлопных газов, крышки цилиндра, тормозной системы; для контроля температуры в салоне автомобиля и вне его,
3. В кондиционерах:

   в распределителе тепла;
   для мониторинга температуры в помещении,

4. В нагревателях для пола и газовых котлах,
5. Для блокировки дверей в нагревательных приборах,
6. В промышленной электронике: для температурной стабилизации лазерных диодов и фотоэлементов, для компенсации температуры в медных катушках,
7. В телекоммуникации — температурную стабилизацию частоты опорных генераторов без применения термостатов, что особенно важно в мобильных решениях,
8. Температурный контроль в мобильных телефонах — для использование мобильных телефонов в широком температурном диапазоне (от -40 до +85 С°C) требует контроль чувствительных элементов. Это - кварцевый генератор, LCD дисплей, усилитель мощности и батарея. Термистор выполняют несколько функций - компенсацию температуры и защита от перегрева,
9. Измерение мощности СВЧ.

 

Расширение применений,
вытекающие из свойств термисторов на основе монокристалла алмаза

Технические характеристики термисторов, приведенные в таблице 1, обеспечиваются в процессе синтеза полупроводникового алмаза, а их стабильность позволяет эксплуатировать в интервале температур, по крайней мере от -196(t жидкого азота) до 330°С, а широкий набор значений R облегчает согласование с параметрами источников питания и вторичных цепей электронных схем.

Терморезисторы типа ТРА-1 и ТРА-2 были успешно испытаны в макетных образцах следующих электронных устройств [Л.1]:

1. аналоговые и цифровые термометры с пределом измерения от - 60°С до 300°С ;
2. термокомпенсированные генераторы частоты;
3. терморегуляторы с различной мощностью нагревателей;
4. расходомеры жидкости и газа термоанемометрического типа;
5. датчики давления;
6. сигнализаторы уровня жидкостей и др.;
7. датчик в струйном автогенераторном расходомере жидких или газообразных сред;

Кроме этого очень перспективно применение этих типов термисторов для измерения мощности СВЧ с большим динамическим диапазоном.

 

Термометры

Термометры при использовании в качестве датчика температур термисторов ТРА-1 и ТРА-2 имеют широкий температурный диапазон, от - 60°С до 300°С и способны работать длительное время при максимальных температурах без увеличения погрешности, причем эксплуатация при максимальных температурах в течение 500 часов не приводила к заметному изменению градуировки.

 

Расходомеры жидкости и газа

Прибор для измерения скорости потока жидкости или газа, принцип действия которого основан на зависимости между скоростью потока и теплоотдачей ЧЭ, помещенного в поток и нагретого электрическим током, называют термоанемометром.

Способность термисторов ТРА-1 и ТРА-2 работать при высоких собственных тепловыделениях определяет его применение в качестве датчика расхода газов и жидкостей, давления. При этом используется зависимость теплоотвода выделяемой на нем мощности за счет конвективного теплообмена. Которая в свою очередь зависит от теплоемкости, скорости среды.При этом термисторы используются одновременно как датчик температуры и как нагревательный элемент.

Возможно применение термисторов в качестве датчиков скорости и направления воздушного потока позволяет полностью исключить механические устройства из комплекта метеостанции.

 

Датчики давления

Применение термисторов в качестве измерительных элементов датчика давления вместо преобразователя термоанемометрического или термопарного позволяет расширить диапазон измеряемых давлений вакуумметров вплоть до избыточного, повысив их надежность и долговечность до долговечности самого термистора.

 

Датчик в струйном автогенераторном расходомере жидких или газообразных сред

Малая инерционность термисторов на основе монокристаллов алмаза в специальных бескорпусных исполнениях позволяют им работать при частотах внешнего воздействия в диапазоне 10…800 Гц. Достигнутые характеристики позволили провести испытания таких терморезисторов в качестве датчиков в струйном автогенераторном расходомере жидких или газообразных сред. В таком приборе в специальном канале обратной связи струйного элемента (где и размещается датчик) генерируются колебания скорости струи, частота которых пропорциональна объемному расходу. При этом установлено:

- амплитуда полезного сигнала слабо изменяется во всем диапазоне измеряемых расходов;

- отсутствуют паразитные сигналы, связанные с вибрацией или пульсацией потока, характерные для пьезо датчиков;

пропускаемая частота терморезистора имеет диапазон 10…800 Гц.

 

Некоторые особенности применения термисторов на основе монокристалла алмаза

Практическое применение термисторов на основе монокристалла алмаза в жидких средах требует его герметизации, поскольку в жидких средах имеется возможность шунтирования термистора сопротивлением проводящей среды. Для исключения этого явления в [Л.2] опубликован способ создания тонких пленок (порядка 10 мкм) неорганического покрытия. Применение этого решения не ухудшает характеристики термистора как датчика. Это оксидирование и эмалирование. Оба способа позволяют получить устойчивые изолирующие пленки на поверхности термистора. Но «процесс эмалирования более перспективный, так как пленки получаемые таким способом могут выдержать нагрев защищенной поверхности датчика до температур больше чем 300 °C, что позволяет использовать данный датчик не только как температурный но и как термоанемометр, который будет измерять скорость потока не только в воздухе но и в жидкости» Цитата [Л.1].

 

Заключение

Существует мнение, что термисторы на основе монокристаллов алмаза дороги. Насколько я знаю, дороги термисторы выпускаемые на основе монокристаллов природных алмазов или крупных синтетических монокристаллов алмаза. Они не только дороги сами по себе, но требуют механической обработки (резки).

Термисторы ТРА-1 и ТРА-2 имеются в продаже и их цена вполне приемлема для применения в условиях где другие виды термисторов не могут обеспечить выполнения своих функций, а таких областей достаточно много.

 

Информационный листок по терморезисторам ТРА-1 и ТРА-2, описанным в статье, в  формате pdf можно скачать отсюда.

 

Литература:

1. Терморезисторы на основе монокристаллов полупроводникового алмаза: характеристики, параметры, применение, М. Бондаренко, В. Лаптев, С. Мартынов, В. Мазулев, А. Помчалов, Е. Полянский (ВНИИСИМС), П. Аристов (НИИ «Теплоприбор»), Электронные компоненты, 2001, №4.

2. Неорганические изоляционные тонкопленочные покрытия, Автор Галаган П.В., Фроленков, К.Ю.24.03.2007 г., УДК 621.382.8, http://ecology.ostu.ru/index.php?option=com_content&task=view&id=49&Itemid=33

3. ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ С ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ НА ОСНОВЕ КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА, Шишонок Н.А., Ерош А.Ю., Леусенко А.А. , ГНУ Институт физики твердого тела и полупроводников НАНБ, 220007, Минск, П.Бровки,17

P.S.

К моему огромному сожалению связь с фирмой производителем данных термисторов утеряна. По причине ее ликвидации еще в начале 2010 года. поэтому эти терморезисторы можно купить только из остатков на складах магазинов. (которые еще были в конце 2022 года, правда ограниченной номенклатуры) Другие известные мне производители подобных терморезисторов производят их только на заказ, нарезая рабочие элементы из окрашенных (естественно легированных) природных алмазов  и их цена превышает 10 USD.

А жаль, что я не смог помочь полезному делу.

А.Д. Сорокин, Полянский Е.В

декабрь 2009 года.

Попасть прямо в разделы сайта можно здесь: